Nature Communications：解密高熵合金中位错钉扎的起源

一、导读

高熵合金（HEA）是由多主元构成的合金体系，研究发现其具有一些传统合金所无法比拟的优异性能，如高强度和高延展性。高熵合金的高强度来源是材料设计的关键，目前其增强机制尚不明确，仍存在争议，一般认为主要有以下几种原因：

ⅰ.短程有序(SRO)，会导致传统合金的强度增加，在CoCrNi系合金中即为该机制；

ⅱ.位错钉扎强化；

ⅲ.堆垛层错能（SFE），SFE的多变性导致能波浪状位错，加剧晶格摩擦，引起局部增强效应；

ⅳ.固溶强化，在Varvenne模型中假设溶质原子和位错之间存在Labusch型弱相互作用，从而阻碍了位错运动，强化了合金。

HEA合金的位错在滑移过程中会反复被钉扎，导致位错运动不稳定。虽然溶质-位错相互作用在传统合金中已经得到了充分地解释。但在多主元的合金体系中单个钉扎点的起源仍然是一个有争议的问题。

二、 成果掠影

德国达姆施塔特工业大学的Daniel Utt以及Karsten Albe等人结合原位TEM拉伸、球差扫描透射电镜(STEM)和原子模拟研究了面心立方(FCC) CoCrFeMnNi高熵合金中位错钉扎的起源。首先，通过原位拉伸TEM测试揭示了波浪状和锯齿状位错运动，其中肖克莱不全位错周围没有发现明显的偏析。通过原子模拟发现：在没有SRO的随机样本中，仍然具有重复钉扎的位错运动，其潜在机制与Peierls(力/摩擦)势垒中的局部波动直接相关，它们与位错滑移和位错迁移率所需的临界应力之间有密切的关系。相关成果以“The origin of jerky dislocation motion in high-entropy alloys”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications期刊上。

三、核心创新点

(1) 研究了HEA中位错钉扎的起源,揭示了外载荷下的波状位错线和锯齿状滑移运动；

(2) 通过原子模拟将位错反复钉扎与Peierls摩擦的局部波动联系起来。

四、数据概览

图1 原位透射电镜和原子模拟的Cantor（CoCrFeMnNi）合金中位错线的比较。a),TEM图显示了在拉伸载荷下激活的{111}<110>滑动系上的肖克莱不全位错；b),从多个的TEM图像中提取的不全位错的位错线（在a中用“D”标记）。位错线表现出不稳定的滑移；在滑移过程中一些部分被钉扎，位错表现出弯曲的形状。c)-e),随机模拟结果显示了等摩尔Cantor合金在低温(5 K)和300 K下滑移过程中的位错钉扎，以及CoNi合金在300 K下位错的弱钉扎。Cantor合金的位错表现出强局部钉扎，导致波浪状位错，而CoNi合金的位错表现出微弱的钉扎，其位错线几乎保持理想的直线。© 2022 The authors

图2  Shockley不全位错核周围的STEM EDS组成图。a),[110]轴的STEM HAADF图像显示了肖克莱不全位错。位错用⊥符号表示，虚线表示堆垛层错(SF)。b),选定的（1-11）和（-1-11）反射的Bragg滤波图像。伯格斯环形——显示了a₀/6 [211]的伯格斯矢量。c),d),位错核周围Cr、Mn、Fe、Co和Ni的EDS组成图分布均匀，随机波动，没有任何特定元素的富集或偏析。© 2022 The authors

图3 Peierls势垒作为位错钉扎的描述示意图：CoCrFeMnNi中的位错穿过钉扎点的形貌。a),b),在滑移平面中单原子的 GSF能量。红色和橙色箭头表示连接局部最小值的相应位移。局部Peierls势垒FP（以力为单位）定义为原子能曲线的最大斜率。c),滑移面中的局部Peierls力(颜色对应于局部钉扎力),滑移过程中叠加了位错(红色)。可以看到位错钉扎在最强的障碍物上，绕着它弯曲，最后脱离。d),滑动过程中不全位错多个快照的组合。由于快照是在恒定的时间间隔内拍摄的，位错线紧密相连代表停留时间长，即更强的局部钉扎。最强位错钉扎点的位置用灰色圆圈标出。© 2022 The authors

图4 不同合金中原子钉扎点的强度分布及其与位错滑移和位错迁移临界力的关系。a),等摩尔CoNi、CoCr Ni和CoCrFeMnNi中钉扎点强度F_P的比较，Co和Cr的相互作用导致了高密度的强钉扎点的出现。b),CoCrNi和CoCrFeMnNi合金中强（F_P > F_P，95）和弱（F_P < F_P，5）钉扎点周围的第一和第二最近邻壳层的平均组成x_i，中心原子的种类（对于强钉扎点仅包括Co）不包括在该浓度测量中。c),不同样品中引发位错滑移所需的临界力F_C（l₀表示以晶格常数a₀为单位的初始位错线长度）与高强度钉扎点密度F_P，95的相关性。d),在恒定作用力F_C下，位错的迁移率M与高强度钉扎点密度F^-1 _P，95的关系。© 2022 The authors

图5 位错遇到的能磊和摩擦力示意图。a),在纯金属或杂质较少的合金中，能量E随位错滑动距离d的变化。在纯金属中，由于所有的化学环境都是相同的，其能量在位错滑移过程中几乎保持恒定。稀固溶体表现出与纯金属相似的能量分布。在接近溶质（用虚线标记）时，位错被钉扎。所需的钉扎力F（能量梯度）显示在右边的y轴上。在能量峰值和谷值周围可以看到滑移阻力的增加。b),表示HEAs的E和F。相邻的局部极小值和极大值（d = 55）的组合会导致局部钉扎力的更大的变化和更高的极大值。© 2022 The authors

五、 成果启示

本文揭示了高熵合金中位错钉扎点的原子起源，从而回答了材料科学和工程界长期存在的一个问题。表明在HEAs中强位错钉扎不需要明显的SRO。这种情况与已建立的Peierls模型一致，揭示了HEA和特定合金易受特殊Peierls应力峰值的影响。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32134-1

本文由虚谷纳物供稿